[論文レビュー] A comparative computational study of the electronic properties of planar and buckled silicene

Harihar Behera, Goutam Mukhopadhyay|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2012

Graphene research and applications参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、局所密度近似（LDA）を用いた密度汎関数理論（DFT）を用いて、平面状と湾曲したケイ酸化ケイ素の電子的性質を比較した。平面状ケイ酸化ケイ素はグラフェンと同様にギャップレスのデルタコーンを示すが、構造最適化された湾曲ケイ酸化ケイ素は、ブリユアンゾーンのK点で約25 meVの小さな直接ギャップを示し、質量のあるデルタフェルミオンを示しており、グラフェンの半分程度のフェルミ速度を持つ。これは、シリコン準拠ナノエレクトロニクスへの応用可能性を示唆している。

ABSTRACT

Using full potential density functional calculations within local density approximation (LDA), we report our investigation of the structural electronic properties of silicene (the graphene analogue of silicon), the strips of which has been synthesized recently on Ag(110) and Ag(100) surfaces. An assumed planar and an optimized buckled two dimensional (2D) hexagonal structures have been considered for comparisons of their electronic properties. Planar silicene shows a gapless band structure analogous to the band structure of graphene with charge carriers behaving like mass-less Dirac fermions, while the structurally optimized buckled silicene shows a small direct energy band gap of about 25 meV (at the K point of the hexagonal Brillouin zone) in its electronic structure and the charge carriers in this case behave like massive Dirac fermions. The actual band gap would be larger than this as LDA is known to underestimate the gap. The average Fermi velocity of the Dirac fermions in silicene was estimated at about half the value experimentally measured in graphene. These properties of silicene are attractive for some of the applications one envisages for graphene. Our finding of a direct band gap in silicene is something new. The results, if verified by experiments, are expected to have huge industrial impact in the silicon-based nano-electronics and nano-optics because of the possible compatibility silicene with current silicon-based micro-/nano technology.

研究の動機と目的

• ケイ酸化ケイ素の平面状および湾曲構造の構造的および電子的性質を調査すること。
• 第一原理的DFT計算を用いて、平面状ケイ酸化ケイ素と湾曲ケイ酸化ケイ素の電子バンド構造を比較すること。
• ケイ酸化ケイ素がギャップを示すかどうか、特に構造最適化された湾曲形態においてその有無を特定すること。
• グラフェンと比較してケイ酸化ケイ素におけるフェルミ速度およびキャリアの挙動を評価すること。
• ケイ酸化ケイ素が既存のシリコンベースナノテクノロジーに統合可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 電子構造の計算に、フルポテンシャル線形化加重平面波（FP-LAPW）法を用いた密度汎関数理論（DFT）が採用された。
• 局所密度近似（LDA）を用いてケイ酸化ケイ素の電子構造を計算した。
• 2つの構造モデルを検討した：仮定された平面状の六角形ケイ酸化ケイ素と、構造最適化された湾曲六角形ケイ酸化ケイ素。
• 両構造について電子バンド構造を計算し、分散関係を分析した。
• デルタ点付近の線形分散から、デルタフェルミオンのフェルミ速度を推定した。
• 湾曲相におけるバンドギャップは、六角ブリユアンゾーンのK点で評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 湾曲ケイ酸化ケイ素はギャップを示すか？もしそうなら、その大きさは何か？
• RQ2 平面状ケイ酸化ケイ素の電子バンド構造は、グラフェンとどのように異なるか？
• RQ3 ケイ酸化ケイ素におけるキャリアのフェルミ速度は何か？グラフェンと比較するとどうなるか？
• RQ4 平面状ケイ酸化ケイ素と湾曲ケイ酸化ケイ素におけるデルタフェルミオンの有効質量はどのように異なるか？
• RQ5 ケイ酸化ケイ素の電子的性質は、シリコンベースナノエレクトロニクスへの応用を目的としてチューニング可能か？

主な発見

• 平面状ケイ酸化ケイ素は、グラフェンと同様にギャップレスのデルタコーンを示し、キャリアは質量のないデルタフェルミオンとして振る舞う。
• 構造最適化された湾曲ケイ酸化ケイ素は、ブリユアンゾーンのK点で約25 meVの小さな直接ギャップを示す。
• ケイ酸化ケイ素におけるデルタフェルミオンのフェルミ速度は、グラフェンで実験的に観測された値のおおよそ半分であると推定される。
• LDAがバンドギャップを低く見積もる傾向にあることから、湾曲ケイ酸化ケイ素のバンドギャップは25 meVより大きいと予想される。
• グラフェンとは異なり、ケイ酸化ケイ素に直接ギャップが存在するため、将来のシリコンベースナノエレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクス素子への応用が有望である。
• 結果から、ケイ酸化ケイ素が既存のシリコンベースマイクロおよびナノプロセス技術と相性が良い可能性が示唆される。